王安琪

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

1990s以前，國內(nèi)外學者大多從河道生態(tài)系統(tǒng)的角度開展生態(tài)需水量研究，對河流流量主要依據(jù)水文歷史資料和7Q10法、Tennant法分析，隨后有水力學者利用濕周法、R2CROSS法對河流所需流量進行計算，但這兩種方法都未考慮生態(tài)學相關要求。Petts等從水生生物流量需求及河道物理形態(tài)的角度，提出最佳及最小流量的確定方法；Bovee等有機結合生境評價與水力學的方法，構建了模擬與評價生境適宜性的IFIM模型。1990s以后，相繼出現(xiàn)河流統(tǒng)一、連續(xù)的概念，Petts等考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性以及縱向上河流流量的連接性，提出河流生態(tài)系統(tǒng)保護中洪泛平原流量發(fā)揮著關鍵作用，其中整體法、BBM法為最常用的方法；此外，有學者認為水資源是維持河流生態(tài)系統(tǒng)的基本要求，對于水資源的配置管理者應引起高度重視。我國學者劉昌明[1]、湯奇成等[2]相繼提出生態(tài)水利和生態(tài)用水的概念，從方向上、整體上明確了河道生態(tài)需水研究的框架和范疇；嚴登華等[3]提出河流生態(tài)需水具有空間與時間上的變化，主要是指滿足一定水質標準且維持地表水體特定功能所需要的水量；李麗娟等結合北方河流特點和生態(tài)環(huán)境功能，定義了河流輸沙和生態(tài)需水量；劉凌[4]研究認為河流生態(tài)需水量應包括河流滲漏及防止蒸發(fā)的需水量，此期間月(年)保證率設定法、最小月平均流量法為最常用的方法。

目前，尚未形成系統(tǒng)、完善的生態(tài)需水量計算方法和理論體系：①隨著河段、時段、季節(jié)的變化河流生態(tài)需水量發(fā)生相應的改變，所以該數(shù)值是一個動態(tài)值；②不同河流的生態(tài)系統(tǒng)特征往往存在一定差異，各河流的生態(tài)需水量無法用某固定的方法來計算；③河道上下游存在重復計算生態(tài)需水量的問題，從而增大了實際中生態(tài)環(huán)境的需水配置難度，并給水資源管理中生態(tài)需水的應用帶來一定限制。

鑒于此，文章以大凌河中下游為例，針對不同頻率年提出河道需水量分段計算的思路與方法，并將生態(tài)需水類型按照大凌河含沙量大、滲漏性強的特征來判定，為解決河流上下游區(qū)間重復計算以及多功能生態(tài)需水重疊問題，利用河道自凈、滲漏、輸沙、蒸發(fā)需水量以及基礎流量等參數(shù)構建需水量計算模型，以期為大凌河流域合理開發(fā)和水資源配置提供科學的指導。

1 大凌河河道生態(tài)需水類型

調查顯示，大凌河主要存在地下水超采、水質污染、泥沙淤積、河道滲漏、河水斷流等環(huán)境問題。近年來，大凌河中下游曾多次出現(xiàn)河道干枯、河水斷流的現(xiàn)象，即使不斷流枯其水流量也非常的??；部分河段滲漏問題突出，測得流量為10m3/s時義縣大凌河段的滲漏量達到0.915m3/s；流經(jīng)黃土地區(qū)、碎屑巖、火山巖的大凌河，其含沙量達到57kg/m3，河流中下游淤積嚴重；據(jù)統(tǒng)計，每年向大凌河排放的污廢水達到3.68×108t，總河長的41.8%屬于劣Ⅴ類水質，其中水功能區(qū)水質80%以上達不到標準要求。2009-2018年，因水資源短缺大凌河地表水開采率達85.2%，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)爭水使得生態(tài)水量不斷被擠占。所以，河道蒸發(fā)、滲漏和主流需水量屬于大凌河主要生態(tài)需水類型，其中主流需水量包括汛期輸沙需水、自凈需水和河道基礎流量[5-7]。

2 生態(tài)需水量模型

河道需水量需滿足多種功能時，可以遵循最大原則來計算，即河道的主流需水量取各月不同功能需水量的最大值，其表達式如下：

WMi=max{WBi，WCi，WTSi}

(1)

式中：WMi、WBi、WCi、WTSi依次代表第i月的主流需水量、基礎流量、自凈及輸沙需水量，m3/月。

河道月生態(tài)需水量利用加和法計算，即對各月滲漏、蒸發(fā)、主流需水量求和，然后加和各月的需水量確定年需水量，計算式為：

WRIi=WEi+WSi+WMi

(2)

式中：WRIi、WEi、WSi依次代表第i月的生態(tài)、蒸發(fā)和滲漏需水量，m3/月。

針對河流上、下游區(qū)間重復計算以及不同功能生態(tài)需水的交叉重疊問題，以整個河道的滲漏、蒸發(fā)需水量加上各個河段主流需水量的最大值得到整個河流的需水量。

2.1 蒸發(fā)需水量

各月的蒸發(fā)生態(tài)需水量利用水面蒸發(fā)量、降水量、水域面積等參數(shù)確定，其表達式如下：

(3)

式中：WE為蒸發(fā)需水量，m3；A、E、P為各月平均的水域面積，m2、蒸發(fā)量，mm和降水量，mm，其中以E601水面蒸發(fā)器監(jiān)測數(shù)據(jù)確定月平均蒸發(fā)量。

2.2 滲漏需水量

地下水位低于河水位條件下，河道滲漏補給量應考慮過水狀態(tài)與土質類別間的關系，其計算公式為：

WS=WJ·δ·L

(4)

δ=K/Wdjm

(5)

式中：WS、WJ為河道滲漏量與流量，m3/s；L為河流的長度，km；δ為單位長度河道水量損失率，%/km；K為土壤透水性系數(shù)；Wdjm為河道的損失流量，m3/s。

2.3 主流需水量

基于大凌河中下游生態(tài)環(huán)境實際需求確定主流需水量，即輸沙需水量WTS、自凈需水量WC、基礎徑流量WB。

1)輸沙需水量WTS。一般河流年輸沙總量的80%發(fā)生于汛期，即汛期是完成河流輸沙功能的主要時段。因此，維持河流形態(tài)動態(tài)平衡的有效手段是充分利用汛期較強洪水的輸沙功能，可利用下述公式計算汛期輸沙需水量，即：

WTSij=Wij/Cmax

(6)

式中：WTSij、Sij為第i年第j的輸沙需水量和輸沙量；Cmax為年均最大月含沙量。

2)自凈需水量WC。該參數(shù)是指河流改善水質、凈化入河流污染物所需要保持的最小水量，由于計算河流基礎徑流量的方法與選用近10a最小月平均流量的方法基本相同，所以主流需水量計算時可以不考慮河流自凈需水量。

3)基礎徑流量WB。該參數(shù)是指維持水生態(tài)系統(tǒng)健康、保證河道不斷流的最小需水量，對此可利用Tennant法確定?？紤]到整個河道均涉及基礎徑流量，因此維持水生態(tài)系統(tǒng)所需要的最小用水量可以取大凌河中游義縣水文站天然徑流量的10%，即最低極限流量。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)需水量計算

以大凌河流域6個水文站(即建凌、哈巴氣、大城子、朝陽、義縣、凌海)1983-2018年實測徑流資料為基礎，通過排頻確定豐水年(P=20%)、平水年(P=50%)、枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)依次為1986年、1993年、2000年、2009年，然后對4個水文頻率年的生態(tài)需水量按照大凌河各河段特點依次計算。

不同水文站間的滲漏需水量、蒸發(fā)需水量利用公式(1)-(6)計算確定，各水文頻率年蒸發(fā)、滲漏需水量，見表1。根據(jù)以上計算結果依次確定各水文站的輸沙需水量，各水文頻率年輸沙需水量，見表2，在此基礎上計算大凌河中下游生態(tài)需水量，各水文頻率年生態(tài)需水量，見表3。

表1 各水文頻率年蒸發(fā)、滲漏需水量

表2 各水文頻率年輸沙需水量

表3 各水文頻率年生態(tài)需水量 104m3

3.2 結果分析

由表3-4可知，相對于枯水年生態(tài)需水量豐水年明顯較高，其原因為豐水年輸沙、滲漏和水面蒸發(fā)需水量均高于枯水年；7-9月份50%和20%頻率年的生態(tài)需水量較高，年內(nèi)分布上95%、75%頻率年生態(tài)需水量較均勻；大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態(tài)需水量依次為1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，基礎徑流、輸沙、滲漏、蒸發(fā)需水量總體上占生態(tài)需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。不同生態(tài)需水類型所占比例，見表4。

大凌河中下游各頻率年生態(tài)需水量相差較大，并且組成比例具有一定差異，對河流生態(tài)需水量利用某固定值來分析明顯與實際不符。因此，隨著年際、時段、季節(jié)的變化河流生態(tài)需水量發(fā)生相應的改變，該值是一項動態(tài)變化值。

表4 不同生態(tài)需水類型所占比例

生態(tài)需水量占多年平均和代表年徑流量比例，見表5。由表5可知，大凌河中下游在95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態(tài)需水量占代表年徑流量比例依次為87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，占多年平均流量比例依次為18.91%、28.25%、45.20%、72.61%，由此表明地表水資源在大凌河中下游流域的利用率依次為12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。另外，河流生態(tài)需水量取多年平均流量百分比中的某定值與河流實際情況不符。

表5 生態(tài)需水量占多年平均和代表年徑流量比例

4 結 論

文章以大凌河中下游為例，利用河道需水量計算模型揭示了不同月份、不同年際河道需水量分配規(guī)律，主要結論如下：

1)主流、蒸發(fā)和滲漏需水量屬影響流域生態(tài)需水量的主要因素，以基礎徑流量與輸沙需水量的較大值作為主流需水量，且整個河流的主流需水量取5個河段的最大值，由此可有效解決了河流上下游區(qū)間重復計算以及不同功能生態(tài)需水的交叉重疊問題。

2)隨季節(jié)的變化不同生態(tài)需水類型發(fā)生相應的改變，如75%、50%、20%頻率年的主流需水量都低于輸沙需水量，而95%頻率呈現(xiàn)出相反的特征?？傮w上，基礎徑流、輸沙、滲漏、蒸發(fā)需水量占生態(tài)需水的17.19%、21.05%、76.23%、2.72%。

3)大凌河中下游95%、70%、50%、20%水文頻率年的生態(tài)需水量依次為1.4239×108m3、1.8540×108m3、2.5061×108m3、4.0837×108m3，占代表年徑流量比例依次為87.12%、60.04%、60.26%、56.41%，這表明地表水資源在大凌河中下游流域的利用率依次為12.88%、39.96%、39.74%、43.59%。國際上公認的地表水極限開采程度、合理開采程度為40%和30%，可見大凌河中下游地表水綜合開發(fā)程度已明顯超出河道水體的提供能力，即河流生態(tài)需水已被大量的擠占。為實現(xiàn)水資源的合理利用和持續(xù)管理，必須對流域水資源分河段分時段的實施有效的管控措施。